多铁异质结中的磁电耦合效应

发布时间：2017-04-02 05:12

  本文关键词：多铁异质结中的磁电耦合效应，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：如今电子器件科学技术的突飞猛进,使得日常生活中的各行各业对电子器件向微型化、多功能化以及低能耗发展的需求日益增强,甚至逐渐制约了相关领域的发展。人们寄希望于研发出同时表现出两种或两种以上可应用功能性质的新材料,以此为基础设计能够在单一单元的材料体系中展现多种功能的新型原型器件。身具诸多优势的多铁材料因为同时具有铁电和铁磁等等铁性有序以及它们之间的相互耦合效应,受到人们的广泛关注。然而,普通的单相多铁材料都存在磁电耦合非常弱以及存在温度低等问题,无法实际工业应用。于是人们将研究重点集中在如何科学合理地设计多铁异质结结构,使得界面处的耦合强度增大,在纳米尺度范围内调控磁电耦合。尽管目前人们在多铁异质结的磁电耦合研究中取得了可喜的进展,然而其中仍然存在着一些问题亟待解决,比如如何在大范围区域内的对磁矩取向实现便利的非易失可重复的电场调控,如何利用电控磁矩转动诱导各向异性阻变,以及如何在室温、低场下实现可观的磁介电效应等等。 针对上述问题,本论文主要研究了多铁异质结中的磁电耦合效应导致的非易失磁矩转动和各向异性的阻变行为,探讨了电场驱动下应变诱导磁性变化的内在因素,为纯电场驱动的非易失存储器件设计提供了研究基础；初步探索了外加磁场对多铁异质结的介电和铁电性能的影响。 整篇论文分为五个章节,每一章的主要内容概括如下： 在第一章中,我们主要综述了多铁异质结中应变效应和电荷效应诱导的逆磁电耦合效应等方面的最新研究进展,重点介绍了铁电单晶衬底压电效应引起的非易失磁变化,据此从几个方面提出了当前研究中仍然有待深入研究和解决的问题。 在第二章中,我们制备了Co/0.7Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-0.3PbTiO3(Co/PMN-PT)多铁性异质结,设计了一种新型的侧面极化异质结结构,使得磁性薄膜不会受到铁电场效应带来的影响,同时引入更大的应变效应,从而可以实现纯应变诱导的磁电耦合效应。基于这种极化结构,在室温下的Co/PMN-PT多铁异质结中实现的压电应变诱导的非易失磁矩转动。通过引入磁弹各向异性与生长导致的界面各向异性的竞争以及铁电翻转瞬时电流的作用,我们不仅仅实现了可重复、非易失的90°的磁矩转动,更是在异质结大范围面积内实现了非易失的180°的磁翻转,这种翻转过程无需任何外加磁场作用。如果再附加一个大小约为5Oe的辅助磁场,这种180°的磁翻转可以反复进行。随着磁矩在异质结中的转动,Co薄膜的面内各向异性电阻也伴随着发生同步的变化。基于Co/PMN-PT多铁异质结中这种压电应变诱导的磁矩转动和面内各向异性电阻的变化,我们可以设计电子单刀双掷开光和两输入端的三态门器件等逻辑器件,或者替代磁场驱动的电场控制的自旋阀等存储器件。 在第三章中,研究了在压电应变诱导作用下,Co/PMN-PT异质结中与非易失的易磁化轴转动同步发生的面内各向异性电阻的变化。磁各向异性的Co薄膜中易磁化轴方向的电阻大于难磁化轴电阻。通过外加正负5kV/cm的电场,各向异性电阻可以在7.7%和-9.4%之间变化。通过不同外加磁场下系统的各向异性电阻磁阻的测量表征,对Co薄膜中不同的磁矩转动机制进行了研究讨论。在低于磁各向异性场的转动磁场作用下,两种极化状态的各向异性磁阻曲线表现出近似于90°的相差,对应于异质结中Co薄膜的90°的磁矩转动。在高于磁各向异性场的转动磁场作用下,各向异性磁阻曲线表现出类似于coS2(θ)的非对称曲线、对应于异质结Co薄膜中非对称的磁矩转动。极化电场调控的各向异性电输运行为可以通过增加控制参量和实现非破坏性读出为器件提供多功能性。 在第四章中,我们报道了在La2/3Sri/3Mn03/PMN-PT多铁异质结中压电应变诱导的非易失的易磁化轴转动,以及与磁各向异性相关的面内各向异性电阻。结合对多铁异质结面内应变、表面形貌和铁电等性质的表征,对LSMO薄膜初始磁各向异性的起源进行探究。异质结中压电应变引起的磁弹各向异性与初始磁各向异性的相互竞争导致了LSMO薄膜易磁化轴的90°转动。将LSMO薄膜进一步刻蚀成各向异性电阻测量电极图案后,其形状各向异性不会影响到薄膜本征的磁各向异性,LSMO薄膜的不同位置都表现出统一的易磁化轴取向。与此同时,LSMO薄膜的面内电阻表现出与磁各向异性相关的各向异性电阻,易磁化轴方向电阻较小,难磁化轴电阻较大。在不同外加磁场下,面内各向异性磁阻表现出不同的转动行为。 在第五章中,选用了PbZr0.52Ti0.48O3制备PbZr0.52Ti0.4gO3/La0.625Ca0.375MnO3(PZT/LCMO)异质结薄膜,获得物理上更加简单的磁界面,用以研究1kHz到100MHz频率范围中不同磁场、温度情况下异质结的介电响应过程以及铁电性能的变化。我们观察到异质结在LCMO的TC的附近表现出52%的磁介电效应。通过等效RC回路的拟合分析,电子相分离的LCMO薄膜所引起的界面磁不均一性,使得PZT/LCMO界面在220K表现出巨大的磁介电效应和磁阻效应,从而使异质结表现出温度依赖的显著的磁介电效应。同时,我们还发现异质结的铁电性在TC附近以及TC以下也具有不同PZT本征性能的磁场调控行为：铁电矫顽场和剩余极化强度在220K附近随外加磁场增大而减小,在220K以下随温度减小出现异常变化。这些变化都主要来源于界面的电阻变化,可以分别用电压降模型和空间电荷诱导的电极化进行解释。
【关键词】：多铁材料 磁电耦合效应 异质结 磁介电效应 磁各向异性 磁矩转动 各向异性电阻和磁阻
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O482.5
【目录】：

• 摘要5-7
• abstract7-12
• 第一章 多铁异质结研究进展12-56
• 1.1 引言12-15
• 1.2 多铁性材料15-20
• 1.2.1 单相多铁材料15-18
• 1.2.2 复合多铁材料18-20
• 1.3 磁介电效应20-23
• 1.4 多铁异质结中应变诱导的磁电耦合效应23-40
• 1.4.1 基于BaTiO_3单晶应变诱导的磁电耦合效应24-31
• 1.4.2 基于PMN-PT单晶的应变诱导的磁电耦合效应31-40
• 1.5 多铁异质结中电荷诱导的磁电耦合效应40-45
• 1.6 本章小结和展望45-47
• 参考文献47-56
• 第二章 室温下电驱动多铁异质结Co/PMN-PT磁矩的非易失转动56-90
• 2.1 引言56-58
• 2.2 多铁异质结的制备与表征58-70
• 2.2.1 多铁异质结的镀制58-59
• 2.2.2 侧面极化结构多铁异质结的制备59-60
• 2.2.3 磁光克尔效应以及MOKE测量60-64
• 2.2.4 多铁异质结的铁电性能表征64-66
• 2.2.5 Co薄膜的结构表征66-69
• 2.2.6 相场模拟等理论计算69-70
• 2.3 实验结果和讨论70-85
• 2.3.1 Co薄膜的磁各向异性的起源70-72
• 2.3.2 外加电场对异质结中Co薄膜的磁各向异性的调控72-73
• 2.3.3 Co薄膜易磁化轴转动的动力学过程73-75
• 2.3.4 Co薄膜中非易失的易磁化轴转动的起源分析75-76
• 2.3.5 Co/PMN-PT多铁异质结中90°的磁矩转动76-77
• 2.3.6 Co/PMN-PT多铁异质结中180°的磁矩转动77-79
• 2.3.7 相场模拟分析90°甚至180°的磁矩转动79-81
• 2.3.8 微扰磁场的起源和幅值大小81-83
• 2.3.9 原型器件设计83-85
• 2.4 本章小结85-86
• 参考文献86-90
• 第三章 多铁异质结Co/PMN-PT的磁相关阻变90-103
• 3.1 引言90-91
• 3.2 多铁异质结的制备与表征91-93
• 3.2.1 多铁异质结的制备91
• 3.2.2 多铁异质结的Co薄膜面内各向异性电阻和磁性的测量91-93
• 3.3 实验结果和讨论93-99
• 3.3.1 多铁异质结中电驱动的易磁化轴的90°转动93-95
• 3.3.2 多铁异质结中电驱动的各向异性阻变行为95-97
• 3.3.3 多铁异质结中各向异性磁阻以及磁矩转动机制97-99
• 3.4 本章小结99-100
• 参考文献100-103
• 第四章 多铁异质结LSMO/PMN-PT中电场驱动易磁化轴转动和各向异性电阻103-127
• 4.1 引言103-104
• 4.2 多铁异质结的制备与表征104-106
• 4.2.1 多铁异质结的制备104-105
• 4.2.2 多铁异质结的LSMO薄膜磁性及面内各向异性电阻测量105-106
• 4.3 实验结果与讨论106-123
• 4.3.1 多铁异质结LSMO/PMN-PT的结构表征106
• 4.3.2 多铁异质结LSMO/PMN-PT的面内应变及PFM表征106-111
• 4.3.3 多铁异质结中未刻蚀LSMO薄膜的面内磁性111-113
• 4.3.4 多铁异质结中电场驱动的LSMO薄膜易磁化轴转动113-119
• 4.3.5 形状对LSMO薄膜的面内磁各向异性的影响119-122
• 4.3.6 多铁异质结中LSMO薄膜的面内各向异性电阻122-123
• 4.4 本章小结123-125
• 参考文献125-127
• 第五章 多铁薄膜PbZr_(0.52)Ti_(0.48)O_3/La_(0.62)Ca_(0.38)MnO_3异质结的介电和铁电性能调控127-146
• 5.1 引言127-128
• 5.2 多铁异质结的制备与表征128-131
• 5.2.1 多铁异质结的制备128-130
• 5.2.2 介电与铁电性能等电学测量130-131
• 5.2.3 介电拟合131
• 5.3 实验结果和讨论131-143
• 5.3.1 磁介电效应131-133
• 5.3.2 介电拟合133-134
• 5.3.3 拟合参数分析134-135
• 5.3.4 界面电阻135-136
• 5.3.5 磁介电效应的起源136-138
• 5.3.6 异质结各部分对阻抗谱的贡献138-141
• 5.3.7 铁电行为的调控141-143
• 5.4 本章小结143-144
• 参考文献144-146
• 攻读博士学位期间完成的论文目录146-148
• 致谢148

【共引文献】

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  本文关键词：多铁异质结中的磁电耦合效应，由笔耕文化传播整理发布。

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